[论文解读] Direct Base-to-Base Transitions in ssDNA Revealed by Tip-Enhanced Raman Scattering

Xiu-Mei Lin, Tanja Deckert‐Gaudig+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2016

DNA and Nucleic Acid Chemistry被引用 12

一句话总结

本研究通过探测由腺嘌呤（A）和胞嘧啶（C）组成的单链DNA（ssDNA）序列，在针尖增强拉曼光谱（TERS）中实现了亚纳米级空间分辨率。通过沿ssDNA扫描TERS探针，研究人员直接观察到腺嘌呤与胞嘧啶之间的基对到基对的清晰转变，实现了光谱分辨，并在环境条件下实现了低于1 nm的空间分辨率，可分辨单个核苷酸碱基。

ABSTRACT

In the present contribution, specifically designed single-stranded DNA (ssDNA) sequences composed of adenine and cytosine were used as nanometric rulers to target the maximum achievable spatial resolution of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) under ambient conditions. By stepping along a strand with a TERS tip, the obtained spectra allowed for a clear spectral discrimination including conformational information of the nucleobases, and even sharp adenine-cytosine transitions were detected repeatedly with a spatial resolution below 1 nm.

研究动机与目标

• 在环境条件下，实现tip-enhanced Raman spectroscopy（TERS）在生物分子上可达到的最大空间分辨率。
• 研究利用TERS分辨单链DNA（ssDNA）中单个核苷酸碱基的可行性。
• 开发一种利用拉曼光谱对ssDNA实现直接、碱基特异性光谱分辨的方法。
• 在纳米尺度上展示对ssDNA中相邻核苷酸碱基之间构象和化学转变的检测。
• 验证该技术在实时、环境条件下对核酸序列进行高分辨率分子图谱绘制的能力。

提出的方法

• 合成专为分子标尺设计的ssDNA序列，其仅由腺嘌呤（A）和胞嘧啶（C）核苷酸碱基组成。
• 采用金属探针的tip-enhanced Raman spectroscopy（TERS）技术，在纳米尺度上实现局域电磁增强。
• 对ssDNA链进行逐级扫描，以高空间精度收集连续的拉曼光谱。
• 分析收集到的拉曼光谱，识别对应于腺嘌呤和胞嘧啶碱基的特征振动模式。
• 利用光谱差异识别A与C碱基之间的转变，实现逐碱基分辨。
• 通过检测A与C残基之间具有亚1 nm精度的尖锐、可重复的转变，验证空间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在环境条件下，tip-enhanced Raman spectroscopy能否以亚纳米级空间分辨率分辨ssDNA中的单个核苷酸碱基？
• RQ2 在TERS探测下，ssDNA中腺嘌呤与胞嘧啶的光谱特征信号有何区别？
• RQ3 能否以高保真度通过TERS检测到腺嘌呤与胞嘧啶之间的直接碱基到碱基转变？
• RQ4 在环境条件下，将TERS应用于ssDNA时，可实现的空间分辨率是多少？
• RQ5 通过拉曼光谱分析，能否分辨ssDNA中相邻碱基之间的构象和化学差异？

主要发现

• 本研究在环境条件下探测ssDNA时，实现了tip-enhanced Raman spectroscopy（TERS）的空间分辨率低于1 nm。
• 在探针扫描过程中，直接观察到腺嘌呤与胞嘧啶碱基之间尖锐且可重复的转变。
• 识别出腺嘌呤与胞嘧啶的特征振动模式，实现了对两种碱基的清晰光谱分辨。
• TERS技术成功分辨了ssDNA中的单个核苷酸碱基，证明其具备单碱基化学图谱绘制能力。
• 该方法能够以高精度检测相邻碱基之间构象和化学态的变化。
• 结果证实，TERS可作为纳米尺度工具，用于在单碱基水平上对ssDNA序列进行直接、无标记的分析。